豎鉸接式生態(tài)直擋墻破壞機(jī)理數(shù)值分析

蘇 慧，毛昆明*，顏 建，黃奕鈞

（1.金陵科技學(xué)院，江蘇 南京 211196； 2.連云港市水工程管理處,江蘇 連云港 222003，3.河南大學(xué)，河南 開(kāi)封 475000）

0 引言

近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，越來(lái)越多的生態(tài)型護(hù)坡被用于水利工程[1-5]，它們可全面解決擋土、反濾、排水、生態(tài)、景觀、防護(hù)、耐久、人性化等許多在結(jié)構(gòu)上互為制約、對(duì)立的難題，是一種有效防止水侵蝕堤壩岸坡土壤的防治系統(tǒng)，使河道護(hù)坡具有更堅(jiān)固穩(wěn)定的防護(hù)作用。但是這些只能運(yùn)用在斜坡和河提上，而大部分河提和河面幾乎都是成90°角，這些生態(tài)護(hù)坡的適用范圍受到了很大的局限。

因此，豎鉸接式生態(tài)直擋墻護(hù)坡結(jié)構(gòu)（圖1）作為一種新型柔性擋墻結(jié)構(gòu)體系應(yīng)運(yùn)而生，它將生態(tài)護(hù)坡和維護(hù)工程安全二者有機(jī)結(jié)合在一起，墻面體內(nèi)部通過(guò)鉸接扣和纖維棒或銷釘連接，連接器的加設(shè)使得上下層砌塊共同作用形成高強(qiáng)度的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。生態(tài)直擋墻結(jié)構(gòu)具有透水不透土的特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了生態(tài)學(xué)上的易于植物生長(zhǎng)性和工程學(xué)上的力學(xué)穩(wěn)定性。它克服了傳統(tǒng)的條石、干砌塊石、現(xiàn)澆混凝土等重力式擋土結(jié)構(gòu)體積大、對(duì)地基承載力要求高、外觀呆板等缺點(diǎn)。該結(jié)構(gòu)外觀漂亮、柔性好，對(duì)地基承載力要求低，工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝，具有很好的生態(tài)效應(yīng)，近十余年來(lái)在美國(guó)、澳大利亞、歐洲廣泛流行，其廣泛用于園林景觀、高速公路、立交橋護(hù)坡、小區(qū)水岸等。

圖1 豎鉸接式生態(tài)直擋墻構(gòu)造

圖2為南京市溧水區(qū)經(jīng)濟(jì)河綜合整治工程中生態(tài)直擋墻的具體應(yīng)用?？梢钥闯觯瑩鯄κ怯珊芏鄠€(gè)砌塊堆放而成，能夠在工廠預(yù)制單個(gè)砌塊，直接運(yùn)到工程現(xiàn)場(chǎng)拼接施工，不但能節(jié)省工期和預(yù)算，而且美觀、耐久，利于環(huán)保，更能重復(fù)利用，節(jié)約資源，如有必要，還可以在砌塊中種植植物，利用活性植物與工程材料的組合，在坡面上構(gòu)建一個(gè)具有生長(zhǎng)能力的功能系統(tǒng)，增加邊坡穩(wěn)定以達(dá)到護(hù)坡和美化自然環(huán)境目的。

圖2 豎鉸接式生生態(tài)直擋墻的具體應(yīng)用

但是，豎鉸接式直擋墻的應(yīng)用是套用傳統(tǒng)加筋土擋墻的設(shè)計(jì)方法，雖取得了不少經(jīng)驗(yàn)，但是相應(yīng)理論研究嚴(yán)重滯后，對(duì)生態(tài)型加筋土擋墻的工作機(jī)理、破壞機(jī)理、穩(wěn)定性分析缺乏深入的研究；對(duì)于如何將支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與植被防護(hù)有機(jī)結(jié)合，形成有效的綜合防護(hù)體系的研究正在逐步地受到重視，而相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論方法和施工技術(shù)體系的研究尚處于起步階段，工程應(yīng)用缺乏必要的理論依據(jù)和規(guī)范指導(dǎo)。

本文以Abaqus有限元軟件為計(jì)算平臺(tái)，建立了土坡-豎鉸接式生態(tài)直擋墻有限元模型。分析了生態(tài)直擋墻及纖維棒的水平位移、剪力以及墻后土體的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)豎鉸接式生態(tài)直擋墻的破壞失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，為實(shí)際工程的應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 三維有限元數(shù)值建模及分析

圖3為砌塊及纖維棒有限元模型圖。中間的方孔在實(shí)際工程中為填土及植物，在數(shù)值模型中忽略植被效應(yīng)，并將填土自重轉(zhuǎn)化為均布荷載，以減少計(jì)算量。4個(gè)留孔為纖維棒位置，纖維棒長(zhǎng)度為2個(gè)砌塊高度，上下砌塊通過(guò)纖維棒相連，并且采用錯(cuò)砌形式，一是可以使墻后土體保持輕微傾斜減小土壓力；二是可以避免纖維棒過(guò)長(zhǎng)從而抗彎及抗剪性能不足的缺點(diǎn)。

圖4為土坡-豎鉸接式生態(tài)直擋墻有限元模型圖，通過(guò)墻體砌塊逐層退臺(tái)，使砌塊與墻后填土形成整體結(jié)構(gòu)，共5層砌塊，總高度1 m。由于相鄰2層砌塊采用錯(cuò)砌形式，最邊緣處為階梯形狀并且在土坡之外。但由于實(shí)際工程中的土坡長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于土坡之外砌塊長(zhǎng)度，因此這部分砌塊長(zhǎng)度可以忽略不計(jì)。但有限元建模時(shí)，限于計(jì)算機(jī)性能和計(jì)算時(shí)間的限制，土坡長(zhǎng)度不可能無(wú)限長(zhǎng)，本文土坡2個(gè)方向的長(zhǎng)度均為1 m，均約束側(cè)向位移，與實(shí)際情況相符。相鄰砌塊法向采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)摩擦接觸，砌塊與纖維棒之間采用綁定約束。從圖1可以看出，直擋墻底部有1個(gè)混凝土基礎(chǔ)，前端向上凸起，其作用是約束最底層砌塊的位移，減小直擋墻滑移和傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。在本文的數(shù)值模擬中，為減小計(jì)算量，并未建立混凝土基礎(chǔ)模型，而采用了對(duì)底層砌塊進(jìn)行位移約束的方法，但二者的效果是一樣的。在實(shí)際工程中，為了能更好地護(hù)坡，還會(huì)采用土工格柵，但本文僅是研究破壞機(jī)理而不是指導(dǎo)實(shí)際工程，因此忽略。

圖3 砌塊及纖維棒有限元模型網(wǎng)格圖

圖4 土坡-豎鉸接式生態(tài)直擋墻有限元模型

采用摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模擬土壤性質(zhì)，內(nèi)摩擦角20°，粘聚力10 kPa，為了能更明顯看出直擋墻的破壞機(jī)理，在土層頂部逐級(jí)施加10 kPa的均布荷載?；炷疗鰤K采用線彈性本構(gòu)，而纖維棒采用玻璃材質(zhì)屬性，E=75 Gpa，μ=0.25，ρ=2600 kg/m3，并采用Drucker-Prager損傷本構(gòu)定義纖維棒的斷裂準(zhǔn)則屬性，σmax=40 MPa，GI=1.5 N/mm，GII=GIII=1 N/mm。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 土坡失穩(wěn)分析

圖5是墻后土體的塑形應(yīng)變?cè)茍D和位移趨勢(shì)云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，土坡的位移趨勢(shì)為突破下角。塑形應(yīng)變其實(shí)為土坡的滑動(dòng)面，土坡高度只有1 m，因此未形成整體滑動(dòng)面。這2個(gè)圖清楚地表明了土坡失穩(wěn)的過(guò)程，即一開(kāi)始是土坡坡腳出現(xiàn)屈服，然后向上延伸，直到出現(xiàn)塑性區(qū)的貫通現(xiàn)象，即滑動(dòng)面位置，呈大致的圓弧狀，并且通過(guò)坡角點(diǎn)。

圖5 土體結(jié)果云圖

2.2 直擋墻失穩(wěn)分析

圖6為直擋墻失穩(wěn)云圖。一般重力式擋土墻的破壞方式為整體滑移或傾覆，有時(shí)是墻身強(qiáng)度不足而破壞。但豎鉸接式生態(tài)直擋墻的破壞形式則比較特殊?？梢钥闯觯鹤钌蠈拥钠鰤K已脫離直擋墻，而其他幾層砌塊（除最下面一層位移已被約束）也背離土體位移。前文已介紹，上下相鄰砌塊之間是用纖維棒連接，砌塊仍然在土壓力作用下產(chǎn)生位移甚至脫離直擋墻的原因只能是纖維棒未能發(fā)揮作用，因此接來(lái)下對(duì)纖維棒進(jìn)行受力分析。

2.3 纖維棒受力分析

圖7為纖維棒應(yīng)力及變形云圖。當(dāng)上層砌塊在土壓力作用下產(chǎn)生的位移大于下層砌塊的位移，相當(dāng)于在連接兩者的纖維棒的中間施加了剪力，纖維棒在上下相鄰砌塊處出現(xiàn)應(yīng)力集中，當(dāng)剪力逐漸增加直到超過(guò)纖維棒的極限抗剪強(qiáng)度時(shí)，纖維棒被剪斷。

2.4 豎鉸接式生態(tài)直擋墻破壞機(jī)理分析

圖6 直擋墻失穩(wěn)云圖

圖7 纖維棒應(yīng)力及變形云圖

豎鉸接式生態(tài)直擋墻一般用于中小河流或農(nóng)村灌溉溝渠的邊坡穩(wěn)定，土坡不高，土壓力較小，因此擋土墻直接滑移或傾覆的可能性較低。主要的破壞形式是相鄰砌塊之間的錯(cuò)動(dòng)形成的位移，對(duì)纖維棒造成剪力。隨著剪力逐漸增大直到超過(guò)纖維棒的抗剪強(qiáng)度造成纖維棒折斷，砌塊之間失去連接整體性下降，最后砌塊逐個(gè)掉落導(dǎo)致土坡無(wú)支護(hù)而失穩(wěn)。

因此，改良豎鉸接式生態(tài)直擋墻的關(guān)鍵方法是提高纖維棒的抗剪強(qiáng)度或減小其受的剪力?？刹捎锰祭w維棒或銷釘代替玻璃纖維棒。

除此之外，不應(yīng)完全由纖維棒承受剪力，應(yīng)加強(qiáng)相鄰砌塊之間的摩擦力，例如可以將砌塊表面做得凹凸不平以增加相互摩擦，或者在砌塊邊緣做成類似木結(jié)構(gòu)的榫卯連接，使得砌塊與纖維棒共同承受剪力，以防止纖維棒斷裂導(dǎo)致直擋墻失穩(wěn)。

3 結(jié)論及建議

本文通過(guò)Abaqus軟件建立了土坡-豎鉸接式生態(tài)直擋墻有限元模型，分析了生態(tài)直擋墻及纖維棒的水平位移、剪力以及墻后土體的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，對(duì)豎鉸接式生態(tài)直擋墻的破壞失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行了深入研究，得到以下結(jié)論和建議：

（1）由于豎鉸接式生態(tài)直擋墻一般用于淺基坑或邊坡，所以一般不會(huì)發(fā)生直接滑移或傾覆失穩(wěn)；土坡坡腳出現(xiàn)屈服，然后向上延伸，直到出現(xiàn)塑性區(qū)的貫通現(xiàn)象，呈大致的圓弧狀，通過(guò)坡角點(diǎn)，但并未形成整體滑動(dòng)面。

（2）豎鉸接式生態(tài)直擋墻的主要破壞形式是砌塊受土壓力作用而產(chǎn)生位移，連接上下砌塊的纖維棒受到剪力過(guò)大從而斷裂，使砌塊之間失去棒連接整體性下降，最后砌塊逐個(gè)掉落導(dǎo)致土坡無(wú)支護(hù)而失穩(wěn)。

（3）可采用抗剪強(qiáng)度高的材質(zhì)如碳纖維或銷釘代替玻璃纖維棒；同時(shí)采取措施增加相鄰砌塊之間摩擦力，使砌塊與纖維棒共同承受剪力，以防止纖維棒斷裂導(dǎo)致直擋墻失穩(wěn)。

（4）豎鉸接式生態(tài)直擋墻在實(shí)際工程中的應(yīng)用更為復(fù)雜，包括排水管的安放、拉接網(wǎng)片的安裝及擋土區(qū)回填、土壤生態(tài)修復(fù)及景觀建設(shè)等，還需要進(jìn)一步研究。

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